第七章 液位測量

1、第七章液位測量第七章液位測量 液位是指開口容器或密封容器中液體介質(zhì)液面的高低，用來測量液位的儀表稱為液位計。 這里只介紹應(yīng)用較為廣泛的浮力式、差壓式、電氣式液位計的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用。第一節(jié)靜壓式液位計第一節(jié)靜壓式液位計 一、利用靜壓差測量液位的原理一、利用靜壓差測量液位的原理 靜壓式液位檢測方法是根據(jù)液柱靜壓與液柱高度成正比的原理來實現(xiàn)的。其原理如圖7-1所示，根據(jù)流體靜力學原理可得 HPAPBgHPPPAB圖圖7-1 7-1 靜壓式液位計原理靜壓式液位計原理當容器為敞口時，則P0為大氣壓，上式變?yōu)椋篻HPPp0二、壓力表測量液位計二、壓力表測量液位計 當壓力儀表與取壓點當壓力儀表與取壓點(

2、(零液位零液位) )不在同一水平位置不在同一水平位置時，應(yīng)對其位置高度差而引起的固定壓力進行修正。時，應(yīng)對其位置高度差而引起的固定壓力進行修正。 圖圖7-2 7-2 壓力式液位計壓力式液位計(a)壓力表測液位；(b)法蘭式壓力變送器測液位 三、法蘭式壓力變送器液位計三、法蘭式壓力變送器液位計 由于對于粘稠液體或有凝結(jié)性的液體，為由于對于粘稠液體或有凝結(jié)性的液體，為避免導壓管堵塞，可采用法蘭式壓力變送器和避免導壓管堵塞，可采用法蘭式壓力變送器和容器直接相連，其在導壓管處加有隔離膜片，容器直接相連，其在導壓管處加有隔離膜片，導壓管內(nèi)充人硅油，借助硅油傳遞壓力。容器導壓管內(nèi)充人硅油，借助硅油傳遞壓力

3、。容器與壓力表之間用法蘭將管路連接，故稱與壓力表之間用法蘭將管路連接，故稱“法蘭法蘭液位計液位計”。四、壓差式液位計四、壓差式液位計如圖7-3所示。差壓液位計指示值除與液位高度有關(guān)外，還與液體密度和差壓儀表的安裝位置有關(guān)。實際安裝時不一定能滿足壓力檢測儀表安裝在零液位處；采用法蘭式差壓變送器時，由于在從膜盒至變送器的毛細管中充以硅油，無論差壓變送器在什么高度，一般均會產(chǎn)生附加靜壓，可通過計算進行校正，更多的是對壓力(差壓)變送器進行零點調(diào)整，使它在只受附加靜壓(靜壓差)時輸出為“0”，這種方法稱為“量程遷移”。 （一）無遷移（一）無遷移 當液位H在0Hmax范圍內(nèi)變化時，對應(yīng)的P在0Pmax范

4、圍內(nèi)變化，變送器輸出IP在量程上下限間相應(yīng)變化。 圖圖7-37-3壓差式液位計原理壓差式液位計原理 (a)無遷移；(b)負遷移；(c)正遷移gHP1（二）負遷移（二）負遷移 這樣就破壞了變送器輸出IP與液位之間的正常關(guān)系,調(diào)整變送器上的遷移彈簧，使變送器在H0， 輸出IP為量程下限；在HHmax時，為最大差壓，變送器輸出IP為量程上限，這樣就實現(xiàn)了變送器輸出與液位之間的正常關(guān)系。稱為負遷移量。 022012121()(PghPgHghPPPghhgHP2121)(ghhP212)(ghhgHP2121maxmax)(ghhZ212)(（三）正遷移（三）正遷移圖圖7-3(c)7-3(c)所示的測

5、量裝置中，液位高度所示的測量裝置中，液位高度H H與壓差之間與壓差之間的關(guān)系為的關(guān)系為 ghHP1)(五、高位水箱的液位測量五、高位水箱的液位測量 在液位計系統(tǒng)中接入一個U形管壓差計，便可將液位計接到比容器位置低得多的場所進行液位測量或監(jiān)控。圖7-5所示為鍋爐中測量鍋筒水位的水位計工作原理圖。這種水位計可以安裝到位置比鍋筒低得多的運行人員操作臺上進行鍋筒水位監(jiān)控。 在正常工況下， 化簡上式可得： gRHHgRgHgH203210)(02312HR 在鍋筒水位降低h值條件下， 設(shè)低地位水位計的橫截面積為f1，膨脹室的橫截面積為f2，則 由式(7-6)、(7-7)、(7-8)可得 gHHRhghR

6、hghHghHgh203121104)()()()(hffh1121421213/1)/1 (ffff第二節(jié)電接觸式液位計第二節(jié)電接觸式液位計一、電容式液位計一、電容式液位計 電容式液位傳感器是利用被測物的介電常數(shù)與空氣(或真空)不同的特點進行檢測的，電容式物位計由電容式物位傳感器和檢測電容的測量線路組成。 圖圖7-6 7-6 導電液體的電容式液位測量導電液體的電容式液位測量1-導電液體；2-容器；3-不銹電極；4-絕緣套（一）測量導電液體的電容式液位傳感器（一）測量導電液體的電容式液位傳感器 當液位高度為H=0時，圓筒電容器的電容量C0為： 當液位高度為H時，圓筒電容器的電容量C為 當容器內(nèi)

7、液位高度有零變化到H時，圓筒電容器的電容變化量C為 )/ln(2000dDLC)/ln()(2)/ln(200dDHLdDHC)/ln(2)/ln(2000dDHdDHCCC 通常，D0D，0，則上式可簡化為 當電極確定后，、D、d為定值，上式可寫為 可見，當電極確定后，、D、d為定值，傳感器的電容變化量與液位的變化量呈線性關(guān)系。測出電容變化量就可求出被測液位。且絕緣套管的介電常數(shù)較大，Dd較小時，傳感器的靈敏度較高。)/ln(2dDHCKHC （二）測量非導電液體的電容式液位傳感器（二）測量非導電液體的電容式液位傳感器 圖圖7-7 7-7 非導電液體的電容式液位測量非導電液體的電容式液位測量

8、 1-非導電液；2-容器；3-不銹鋼外管；4-不銹鋼內(nèi)管；5-絕緣套 當被測液位H=0時介質(zhì)是空氣，電容器的電容量為 當液位為H時上下介質(zhì)分別是空氣和液體，電容C為 當容器液位高度有零變化到H時，電容變化量C為 可見，當電極確定后，、D、d為定值，傳感器的電容變化量與液位的變化量呈線性關(guān)系。測出電容變化量就可求出被測液位。 )/ln(200dDLC)/ln()(2)/ln(20dDHLdDHCHdDCCC)/ln()(200二、電接點液位計二、電接點液位計 由于密度和所含導電介質(zhì)的數(shù)量不同，液體與其蒸汽在導電性能上往往存在較大的差別，電接點液位計正是利用這一差別進行液位檢測的，通過液體汽、液相

9、電阻的不同指示液位高低。電接點液位計的基本組成和工作原理如圖7-8所示。 圖圖7-8 7-8 電接點液位計測量原理電接點液位計測量原理 1-汽包；2-測量筒；3-電極；4-絕緣套；5-指示燈 電接點液位計得到了較為廣泛的應(yīng)用，尤其是在鍋爐汽包水位的測量中，由于其測量結(jié)果受汽包壓力變化的影響很小，故適用于鍋爐變參數(shù)工況下的水位測量。但是，這種液位計的液位指示信號具有非連續(xù)的階躍性，因此不宜作為液位連續(xù)調(diào)節(jié)的信號傳感器。用電接點液位計測量鍋爐汽包水位時，除了上述誤差外，最主要的誤差是測量筒內(nèi)水柱溫降所造成的測量筒水位與汽包重力水位之間的偏差，因而應(yīng)該對測量筒采取保溫措施。 第三節(jié)浮力式液位計第三節(jié)

10、浮力式液位計 浮力式液位檢測的基本原理是通過測量漂浮于被測液面上的浮子(也稱浮標)隨液面變化而產(chǎn)生的位移檢測液位；或利用沉浸在被測液體中的浮筒(也稱沉筒)所受的浮力與液位的關(guān)系檢測液位。前者為恒浮力式檢測，一般稱浮子式液位計。后者為變浮力式檢測，一般稱浮筒式液位計。一、浮子式液位計一、浮子式液位計 浮子漂浮在液面上,其平衡關(guān)系為 圖圖7-9 7-9 浮子式液位計測量原理浮子式液位計測量原理 1-浮子；2-繩索；3-重錘；4-刻度尺 21WFW 當液位上升時，浮子所受浮力F增加，則W1FX，由式(7-19)可得，H=h，H可表示為 hHX)(XXKAhWXKAhAXKhAXKH 變浮力物位檢測方

11、法實質(zhì)上就是將液位轉(zhuǎn)換成敏感元件浮筒的位移變化?？蓱?yīng)用信號變換技術(shù)進一步將位移轉(zhuǎn)換成電信號，配上顯示儀表在現(xiàn)場或控制室進行液位指示和控制。圖7-12是在浮筒的連桿上安裝一鐵芯，可隨浮筒一起上下移動，通過差動變壓器使輸出電壓與位移成正比關(guān)系，從而檢測液位。第四節(jié)超聲波液位計第四節(jié)超聲波液位計 一、一、 聲學法液位計工作原理聲學法液位計工作原理 聲學法液位計利用聲波傳播過程中的一些物理特性如聲速、聲波反射或聲波減弱等來測量液位的。聲波式液位計是一種非接觸式物位計，無可動部件，不受被測介質(zhì)的導電率、導熱系數(shù)或介電常數(shù)等的影響。因此應(yīng)用面廣，可用于有毒、有腐蝕性、高粘度液體的測量。但不宜用于含氣泡、懸

12、浮雜質(zhì)和波浪較大的液體液位測量，否則會因亂反射而產(chǎn)生誤差。此外，這種液位計因設(shè)備較復雜，價格較高。 聲波液位計可以采用頻率較低的聲頻或頻率較高的超聲頻發(fā)射聲波。對氣體介質(zhì)一般用聲頻，因為超聲頻在氣體中聲能衰減較大；對液體或固體介質(zhì)可用超聲頻。超聲波是指頻率高于20kHz的聲波，超聲波聲束集中，不易擴散，可提高測量精度。 圖圖7-13 7-13 聲波反射式液位計工作原理聲波反射式液位計工作原理 (a)液體中反射；(b)氣體中反射；(c)固體中反射 二、超聲波液位計二、超聲波液位計 超聲波液位計由超聲波換能器和測量電路組成。超聲波換能器作為傳感器檢測液位的變化，并把液位變化轉(zhuǎn)換為電信號。通過測量電路的放大處理，由顯示裝置指示液位。 超聲波換能器是根據(jù)壓電晶體的“壓電效應(yīng)”和“逆壓電效應(yīng)”原理實現(xiàn)電能一超聲波能的相互轉(zhuǎn)換，其原理如圖7-14所示。 圖圖7-14 7-14 壓電效應(yīng)原理圖壓電